基于STM32的智能四探針測試儀的研制

蘇州經貿職業技術學院 李 海

電子器件的很多參數都與薄層電阻關系密切，因而需要研究可靠的測量儀器來測量電子器件的相關參數。直流四探針測試法是微電子行業常用的測量材料電阻率的方法，通過測量材料的電阻率可以得到材料的摻雜濃度等重要信息。本文，筆者以STM32為核心控制器，設計了一種新型的數字化智能四探針測試儀，該測試儀可以手動自主選擇、自動切換電壓電流量程，可以進行相關數據的運算處理，并可以與計算機通訊。

該智能測試儀以STM32嵌入式系統為核心，采用恒流源供電，模數轉換器采用AD7135。該儀器硬件電路簡單，有自動切換和自主選擇量程的雙重功能，可以實現自校準，穩定性好，能和PC機通訊，具有較高的智能水平。

一、直流四探針測試原理

四探針測試儀依據范德堡原理，采用直流四探針測試法，將4根金屬探針排成1條直線，利用恒流源給外面的1，4探針通電流，再從2，3探針上測量出電位差，根據ρ＝CV/I（C為修正系數，V為測量電壓，I為測量電流）即可得到材料的電阻率ρ。四探針測量原理如圖1所示。

二、直流四探針系統硬件設計

系統硬件以STM32為核心，由測試架模塊、恒流源模塊、AD轉換模塊、鍵盤模塊、溫度模塊、顯示模塊、與PC通訊模塊以及人機界面模塊組成。測試系統結構如圖2所示。

在系統通電后開始初始化，包括彩屏、溫度以及CH451鍵盤初始化。電壓擋選為2 V，電流檔選為1 mA，待測試架接收到啟動信號后，探針下降接觸被測對象，恒流源的電流送往探頭模塊，從先前指定的1，4探針輸出想要的恒流，此時需要4根探針和被測對象有良好的接觸，使得探針獲得另外兩根針之間的電壓，并送給AD7135進行模數轉換，轉換后的信號送入STM32進行數據處理，最后將測量結果顯示在彩屏上，同時把測量結果以及相應的參數通過串口或者USB上傳到PC機進行顯示。測量過程中，可以根據被測對象電阻率的大小選擇合適的電壓、電流量程，量程的切換通過鍵盤模塊進行。

1.恒流源的設計。在設計恒流源時，設計了5檔電流量程，同時設計了2 V，200 mV，20 mV等電壓量程。在測量過程中，測量電流應根據被測對象電阻率的大小選取。電流量程選好后，為了保證測量結果的準確性，在測量過程中必須保持已選電流的穩定性。因此，四探針測量儀中用于提供測量電流的恒流源電路的設計是測試儀設計的關鍵部分，恒流源設計的好壞將直接決定四探針測量儀研制成功與否。為了提高輸入端電壓的穩定性，恒流源電路采用電壓負反饋電路。芯片使用OP07運算放大器作為差動輸入，OP07具有非常強的抑制零漂能力；信號經三極管放大并反饋，通過單片機的控制端口來控制繼電器接入的精密電阻阻值。該設計中，筆者把STM32的PE0，PE1，PE2作為地址控制連接到74LS138譯碼器進行密碼輸出，從中可得到10 μA，100 μA，1 mA，10 mA和100 mA等量程的恒定電流。

2.A/D轉換模塊。AD7135是雙斜積分式四位半單片A/D轉換器，28腳DIP封裝，能自動校零。設計利用AD7135的BUSY端的信號送給STM32產生中斷，并進行信號處理。AD7135在轉換周期中主要經歷自動調零、被測電壓積分及對基準電壓反積分階段3個階段。以輸入電壓Vx為例，其積分器輸出端（AD7135的4腳）的波形如圖3所示。

BUSY輸出端（AD7135的21腳）高電平的寬度為T積分＋T反積分。AD7135內部規定積分時間固定為10 001個時鐘脈沖時間，反積分時間的寬度與被測電壓的大小成一定比例。可以利用STM32芯片內部的計數器，對AD7135的時鐘脈沖進行計數，將上升沿和下降沿信號送入STM32，分別作為計數的啟動信號和停止信號，這樣計數器只有在BUSY為高電平時計數，因此，只需把BUSY高電平時間內計數器的測量值減去10 001，即可得到被測電壓的數值。

3.STM32與AD7135接口電路。該測試儀器采用STM32作為控制器。在設計時，用STM32的PD3與AD7135的BUSY信號相連作為中斷信號。在編寫程序時，將該端口設置為上升沿、下降沿都能觸發中斷，用STM32的PA0與AD7135的積分器輸出端相連作為脈沖數；在AD上升沿中斷啟動測量，在AD下降沿停止測量并記下測量脈沖個數，這樣探針檢測到的電壓信號經過AD7135內部的相關模數轉換，就轉換成了脈沖個數，STM32控制器對采集到的信號（脈沖個數）進行相應的處理后，即可將測量結果在3.2寸彩屏上顯示，從而間接地讀取了樣品的電阻率。設計用的彩色LCD模塊接口采用FMSC接口驅動，其速度非常快。

4.鍵盤模塊。測量儀器的鍵盤模塊采用CH451芯片，設計只使用了鍵盤掃描功能，一共使用了7個鍵，分別為修正系數向上切換和向下切換、電壓放大倍率向上切換和向下切換、電流放大倍數的向上切換和向下切換以及手動測量模式和自動測量模式。CH451與STM32的接口電路，分別通過STM32 芯片的PB8，PB9，PB10和PB11共4個I/O接口與CH451的ch451_load，ch451_din，ch451_dclk，ch451_dout接口相連。當在程序中啟用鍵盤掃描功能后，每次按下按鍵后，ch451_dout就會產生一個中斷信號；在軟件編程中利用這個中斷信號，使STM32通過串行接口讀取按鍵代碼并進行處理，從而得到該按鍵代碼。在沒有檢測到新的有效按鍵之前，CH451 不再產生任何鍵盤中斷。設計中代碼分別為0x40，0x48，0x50，0x58，0x60，0x68和 0x70。

三、軟件設計

測量儀器的軟件部分包括彩屏初始化、CH451鍵盤模塊、溫度模塊、AD7135A/D轉換模塊、彩屏顯示模塊以及PC通訊模塊等部分的軟件設計，可完成系統的數據采集與處理。程序通過AD7135進行A/D轉換，然后通過程序判斷手動或自動切換電壓或電流測量量程，直到測量量程合適，再進行運算處理，將結果顯示到彩屏上，之后通過串口或者USB模塊與PC通訊進行有關數據的采集與處理，電壓測量量程的選擇可以在面板上選擇自動模式，也可以自主選擇好量程（手動模式）。

四、結論

儀器設計中采用了鍵盤CH451、AD7135器件，大大簡化了系統的硬件電路設計。采用STM32作為嵌入式控制器，具備自動檢測切換檔位等功能，使系統的智能化和適應程度都得到了較大的提高，具有重要的推廣價值。